История Земли - Ричард Флинт

Структура и физиология растений

Сосудистая система. Краткий обзор особенностей современных растений - основных черт их строения и физиологии - показывает результат развития растительного мира. Большинство растений, особенно высших, отличается характерными чертами строения; все они, в частности, имеют: 1) длинный, обычно вертикальный и ветвящийся стебель, в большинстве случаев жесткий; 2) корни, хорошо закрепленные в почве; 3) в верхней части - зеленую листву. Самый важный процесс - фотосинтез - происходит в листьях, безразлично, широкие это листья, иглы или еще какие-нибудь. Клетки листьев синтезируют хлорофилл ("растительную зелень"), зеленый пигмент, который поглощает солнечный свет и, используя его энергию, может создавать питательные вещества из углекислого газа атмосферы и воды, которую растение извлекает из почвы. Через поры листьев поступает углекислый газ, происходит реакция фотосинтеза (химическое восстановление кислорода) и в результате образуются сахар, вода и свободный кислород.

Вода, которая нужна для фотосинтеза, поступает снизу, из почвы, по системе корней, через стебель и ветви. Теперь мы понимаем, что корни, стебель и ветви созданы не просто для того, чтобы нести на себе листья. Это также и водоподводящая система каналов, по которой вода в достаточных количествах подается даже на вершину самого высокого дерева. Очень высокие хвойные деревья на тихоокеанском побережье Северной Америки могут подтягивать воду на высоту до 120 метров над землей.

В действительности вода, которая подтягивается вверх, к листьям, это не просто вода; это сок деревьев, водный раствор. В одеревеневшей ткани живого дерева находятся вертикальные цепочки мертвых клеток. У некоторых видов деревьев верхние и нижние стенки этих клеток растворены - как если бы в высоком здании пришлось уничтожить перекрытия в целом ряде комнат, расположенных одна над другой, чтобы соорудить шахту для лифта. Цепочки этих мертвых клеток заполнены соком. Они образуют трубочки, по которым жидкость, поступающая из земли, подтягивается от корней к живым листьям. Из листьев вода постоянно испаряется в атмосферу через поры. Эта потеря влаги снижает давление внутри листьев и тонких веток и заставляет сок, заполняющий систему трубок, подтягиваться через стенки клеток к листьям, чтобы возместить недостаток жидкости. Таким образом всасывающее усилие передается по всей системе трубок, включая корни, которые в свою очередь начинают более активно поглощать влагу из почвы. Вся эта система "сосудов" представляет собой своего рода насос, действующий весьма эффективно.

Эта система, рассматриваемая в более широком плане, представляет собой часть круговорота воды (рис. 4). В таком круговороте часть осадков просачивается в землю, поглощается корнями растений, поднимается к листьям и с их поверхности испаряется в атмосферу, из которой выпадает затем в виде дождя. Но часть воды остается в растениях. В процессе фотосинтеза она соединяется с углекислым газом, который проникает в растение из атмосферы через поры листьев, и образует питательные вещества и ткани растения.

Для образования тканей растения требуется большое количество воды и углекислого газа. Например, на 0,4 га кукурузного поля произрастает около 10 000 растений, которые дают около 3,5 м3 зерна (семян кукурузы). Для образования этого количества семян (мы не считаем стебли, корни, листья и стержни початков) растениям требуется около 9 т углекислого газа, из которого они выделяют и используют 2,5 т углерода, а освободившийся кислород возвращают в атмосферу. Для этого растения должны переработать 21 000 т воздуха, то есть более 2 т на каждое растение. В то же время растения должны извлечь из почвы и перекачать в листья 1 892 500 литров воды, что составляет около 190 литров на каждое растение.

Этот процесс происходит на каждом участке кукурузного поля ежегодно. То же самое происходит на площадях, засеянных пшеницей и другими зерновыми. Такие же процессы, хотя и происходящие более медленно, наблюдаются на площадях, занятых деревьями, дающими фрукты или орехи или использующимися как топливо и строительный материал. Представив себе огромные пространства лесов, садов, пастбищ и обрабатываемых полей, безразлично, используемых человеком или нет, мы до некоторой степени можем понять, какую огромную роль растения, входящие в состав биосферы, играют в круговороте воды, а также в процессах выветривания (физического и химического), образующих часть круговорота горных пород.

Система размножения. Изучением способа размножения живых организмов, животных или растений, никогда не следует пренебрегать, потому что успешное воспроизводство организма - это один из важнейших факторов его успешной эволюции, залог способности выживать в меняющихся (к лучшему или худшему) условиях. Поэтому, рассмотрев способы размножения современных растений, мы можем узнать что-то новое и о геологической истории.

Небольшая часть ныне существующих растений размножается вегетативно. При вегетативном размножении у растения развиваются отростки, луковицы или побеги, которые укореняются и становятся самостоятельными растениями, точно воспроизводящими своего родителя. (Мы употребляем это слово в единственном числе, так как в этом случае родитель только один.) При таком размножении сочетания различных генов не происходит; потомок не приобретает никаких новых свойств, которые могли бы послужить ему для приспособления к новым условиям среды.

Половое размножение, напротив, допускает сочетание различных свойств, унаследованных от различных особей, и если условия среды благоприятствуют развитию возникающих признаков, то эволюция ускоряется. В своей основе цикл полового размножения бессеменных сосудистых растений включает две фазы. В первую фазу возникает маленькое безлиственное растение, продуцирующее сперматозоиды, или яйцеклетки, или то и другое одновременно. Сперматозоиды от мужского растения перемещаются в воде (присутствующей хотя бы в виде тонкой пленки) и оплодотворяют яйцо женского растения, находящегося поблизости. Из оплодотворенного яйца развивается новое растение, превосходящее по размерам растения первой фазы и имеющее листья. Во вторую фазу это большее растение образует споры - клетки, служащие для размножения и не требующие оплодотворения. Они уносятся и рассеиваются ветром, укореняются, и из них развиваются мелкие безлиственные растения первой фазы. Таким образом завершается цикл. Как мы видим, один момент данного цикла требует присутствия воды; на ранних этапах истории наземных растений это ограничивало их распространение, так как размножение могло происходить лишь в определенных природных условиях.

Появление семян устранило это затруднение и таким образом усовершенствовало процесс размножения. При наличии семян отпала необходимость движения сперматозоидов к яйцеклетке вводе. Семя - это не просто изолированная клетка. Оно включает множество клеток, образующих в совокупности корень, стебель и один-два листка, "упакованных" в питательное вещество и снабженных оболочкой, защищающей их от механического и химического воздействия. Кроме того, когда семя начинает свое существование, оно уже содержит оплодотворенную яйцеклетку. Оплодотворение происходит тогда, когда яйцеклетка еще не отделилась от родительского растения, которое и питает семя на начальных стадиях роста. К тому времени, когда семя отделяется, оно уже представляет собой миниатюрный организм, снабженный "приспособительными" устройствами. Этот организм может сохраняться живым до тех пор, пока не укоренится и не начнет свою жизнь как самостоятельное растение. Благодаря указанным свойствам он имеет гораздо большие шансы выжить по сравнению с бессеменными растениями, что в свою очередь означает большее разнообразие возможных сред обитания и лучшую конкурентную способность данных видов. Значение таких преимуществ показывает вся история развития растений.

Древнейшие морские растения

Эволюция растений начинается с морских водорослей (см. табл. 2). Самые древние из известных на Земле ископаемых остатков (возраст которых около трех миллиардов лет) представляют собой наиболее примитивные растения - сине-зеленые водоросли. Почти два миллиарда лет такие растения обитали в морях вместе с другими одноклеточными организмами. Но, как свидетельствуют находки ископаемых в Австралии, около одного миллиарда лет назад существовали и зеленые водоросли. Наличие зеленых водорослей показывает, что к этому времени растения приобрели два важнейших свойства в отличие от их предков - более сложное строение и способность к половому размножению. Последнее свойство мы уже рассматривали. Поскольку каждый организм-потомок происходил уже не от одного, а от двух родителей, он обладал новой комбинацией генетического материала, что обусловило большую эффективность эволюции.